ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2011, том 72, № 2, с. 93-110
УДК 577.21
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАНСГЕННЫХ НАСЕКОМЫХ В ПРОГРАММАХ БИОКОНТРОЛЯ
© 2011 г. А.П. Ткачук1, М.В. Ким1, В.Ю. Савицкий2, М.Ю. Савицкий1
1 Учреждение Российской академии наук Институт биологии гена РАН 119334 Москва, ул. Вавилова, 34/5 2Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова 119991 Москва, Ленинские горы, 1 e-mail: msavitsky@gmail.com Поступила в редакцию 16.03.2010
Методы биоконтроля широко используются для борьбы с насекомыми-вредителями сельского хозяйства и переносчиками заболеваний человека. Метод стерилизации насекомых (SIT) - один из ключевых методов биоконтроля. В настоящее время стерилизация преимущественно достигается при помощи облучения. Облученные насекомые менее жизнеспособны и, следовательно, имеют пониженную конкурентоспособность по сравнению с насекомыми из природной популяции. Современная биоинженерия позволяет создавать трансгенных насекомых с запрограммированными свойствами. Разработаны схемы получения стерильных насекомых без использования радиации. Другое современное направление - создание насекомых, неспособных переносить заболевания, например малярию. В обзоре описываются разработки и перспективы замещения природных популяций Anopheles трансгенными комарами. Основной способ доставки генетического материала в геном реципиента - конструкции на основе транспозонов. Описываются маркеры транс-генеза. Обращено внимание на потенциальную опасность для окружающей среды ремобилизации трансгенных конструкций и необходимость их стабилизации в геноме. Детально описываются уже разработанные способы стабилизации, основанные на делеции терминальных инвертированных повторов транспозона.
Термин "биоконтроль" объединяет целую группу методов, которые включают в себя использование живых организмов или продуктов их жизнедеятельности (например, микробные инсектициды) для подавления популяций вредителей или переносчиков заболеваний человека. Сюда же можно отнести использование биологически активных веществ, например, гормонов и феромонов насекомых, обеспечивающих рост, развитие и передачу информации на уровне организма или популяции (Bale et al., 2008).
Широкое распространение эффективных инсектицидов в 40-50-х годах XX в. привело к тому, что методы биологического контроля были отодвинуты на второй план. Однако появление большого количества данных о негативных последствиях применения инсектицидов возродило интерес к биологическим способам подавления численности вредителей. В развитых странах заметна тенденция перехода от использования химических средств через интегрированные системы к преимущественному использованию
природных механизмов регуляции численности вредителей (Horowitz et al., 2009).
Важным инструментом интегрированных систем контроля численности вредителей (IPM - от англ. integrated pest management) является метод стерилизации насекомых (SIT - от англ. sterile insect technique). Ключевыми элементами SIT являются массовое разведение вредных насекомых, стерилизация их ионизирующим излучением и систематическое рассеивание на местности в количестве, достаточном для достижения необходимого преобладания стерильных насекомых над дикими. В результате скрещивания стерильных особей с особями из дикой популяции последние не оставляют жизнеспособного потомства (Aksoy, 2008). Таким образом происходит подавление размножения насекомого определенного вида. SIT наиболее безопасен для окружающей среды, поскольку воздействует только на популяцию конкретного вредного насекомого. Эффективность метода возрастает по мере уменьшения плотности этой популяции, а при систематическом использовании метода можно добиться ее
полного уничтожения (Aksoy, 2008; Alphey et al., 2009). Однако данный метод имеет ряд существенных недостатков. Использование ионизирующего излучения довольно опасно, сложно и как следствие не всегда экономически выгодно.
Развитие генной инженерии позволяет по-новому взглянуть на возможности биологического способа регулирования численности насекомых-вредителей и переносчиков заболеваний человека. Широко обсуждаются и завоевывают все большую популярность генно-инженерные методы, которые позволяют индуцировать стерильность самцов и избирательно вызывать смертность самок. SIT, основанный на данном подходе, сделает биоконтроль более эффективным, доступным и экономически выгодным.
В последнее время активно развивается новое направление, целью которого является создание трансгенных насекомых, неспособных переносить заболевание, для последующего замещения ими природных популяций (Alphey et al., 2009). Технология такого замещения популяции разрабатывается в рамках программы борьбы с малярией и лихорадкой денге. Однако широкое применение трансгенных организмов может оказаться небезопасным (Macer, 2003). Одним из рисков является возможность ремобилизации трансгена. Если в лабораторных условиях этот риск невелик, то с внедрением в практику программ по биоконтролю, основанных на получении популяций трансгенных насекомых, он значительно возрастает. Распространение в природе таких организмов может привести к негативным последствиям, в частности, к потере ими запрограммированных свойств и приобретению новых дикой популяцией. Исходя из соображений экологической безопасности, этот неконтролируемый риск является ключевым фактором, ограничивающим использование генно-модифицированных (ГМ) организмов в широкой практике.
МЕТОД СТЕРИЛИЗАЦИИ НАСЕКОМЫХ (SIT)
Метод базируется на получении большого числа стерильных особей вредителя или переносчика заболеваний и выпуске их в природную популяцию. Стерильные насекомые не дают жизнеспособного потомства, что при конкурентном спаривании их с особями из природной популяции приводит к уменьшению численности последней.
Одной из пионерских работ в этом направлении была работа нашего соотечественника
А.С. Серебровского (1940). В то время уже было известно, что хромосомные транслокации в ге-терозиготе приводят к неправильной ассоциации хромосом в мейозе и образованию гамет с летальными делециями и/или дупликациями. При этом у гомозигот мейоз протекает нормально, поэтому они полностью жизнеспособны и фер-тильны. А.С. Серебровский предложил использовать явление хромосомных транслокаций для борьбы с насекомыми-вредителями. Он рассчитал, что отбор будет направлен на ту хромосому, которая имеет численное преимущество в популяции. Равновесие же наступит при равном соотношении гомозигот дикого типа и мутантов, несущих транслокацию. При этом условии достигается максимальное число стерильных гетерозигот; хромосома с транслокацией будет поддерживаться в популяции в течение многих поколений, что в конечном счете приведет к значительному снижению численности популяции. Использование нескольких транслокаций повышает эффективность этой стратегии. Помимо этого, А.С Серебровский одним из первых предложил концепцию использования исключительно мутантных самцов, способы получения которых также будут рассмотрены в этом обзоре. Вторая мировая война и торжество лысенковщины не позволили работам А.С. Серебровского найти заслуженный отклик на родине. Более того, его основной труд, посвященный этому методу, был опубликован в СССР только в 1971 г. (Серебровский, 1971).
Другим основоположником метода SIT можно считать Ф. Вандерпланка, который вел свои работы в 40-х годах XX в. в Танзании (Vanderplank, 1948). Он обнаружил, что гибриды двух близкородственных видов мухи цеце, Glossina morsitans и G. swynnertoni, стерильны из-за особенностей строения копулятивного аппарата. Вандерпланк организовал массовый сбор куколок G. morsitans и выпускал их на территории, населенной G. swynnertoni, площадью 26 км2, удаленной от других популяций на 19 км. Результатом этих мер стало практически полное подавление популяции G. swynnertoni. Численность G. morsitans тоже постепенно снизилась в силу неоптимальных для этого вида климатических условий.
В настоящее время стерилизацию насекомых обычно осуществляют при помощи ионизирующей радиации.
Важным условием, во многом определяющим успех практического применения SIT, является необходимость обработки всей территории, на которой распространен данный вредитель. SIT
обладает уникальным свойством: его эффективность возрастает по мере уменьшения плотности целевой популяции. В результате планомерное использование этого метода может привести к полному ее уничтожению (Klassen, 2005). Это означает, что возможности SIT ограничены, и его целесообразно использовать в период пониженной численности популяций в ходе ее естественных сезонных колебаний или после обработки инсектицидами. Таким образом, чтобы быть эффективным SIT должен быть интегрирован с другими методами борьбы с вредителями. Неоспоримое преимущество SIT - его безопасность для окружающей среды, что обуславливается его избирательным воздействием только на популяцию конкретного вида вредного насекомого.
Хрестоматийным примером планомерного применения SIT является история полного уничтожения мясной мухи Cochliomyia hominivorax на территории США и Центральной Америки (Krafsur, Lindquist, 1996). Личинки этой мухи паразитируют на сельскохозяйственных животных, вызывая миазы, что приносит значительный урон животноводству. С 1957 г. по сегодняшний день США поддерживает программу уничтожения C. hominivorax. В 1957-1959 гг. стерилизованные ионизирующим излучением пупарии разбрасывали по территории юго-востока США, в 19601966 гг. обработке подвергся северо-восток США, затем территория Мексики (1972-1991) (Williams et al., 1977; Tannahill et al., 1980; Knipling, 1985; Wyss, 2000). Таким образом, благодаря программе ареал мухи постепенно сокращался, отступая с севера на юг под давлением мероприятий SIT. Последний случай находки мясной мухи на территории США был зарегистрирован в 1982 г. В настоящее время на территории восточной части Панамы еженедельно выпускают в природу 50 миллионов стерильных мух, что формирует заградительный барьер, предотвращающий обратное расширение ареала C. hominivorax. Немаловажно отметить, что ежегодная экономическая выгода от
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.